Изучение реологических характеристик кисломолочного напитка

Одними из самых ценных в пищевом и биологическом отношении продуктов животного происхождения являются молоко и молочные продукты, что обусловлено сбалансированным составом, разнообразием нутриентов, наполнителей, добавок, функциональной направленностью молочных продуктов. Кисломолочные напитки составляют значительный сегмент среди всех молочных продуктов и по своим функциональным свойствам превосходят молоко. Разнообразие ассортимента кисломолочных напитков формируется за счет комбинирования составных частей молока и молочных продуктов, например, применения концентратов сывороточных белков, сухого обезжиренного молока, пахты, а также внесения растительных компонентов, обогащающих напитки пищевыми волокнами, полисахаридами, пектинами, витаминами, макро- и микроэлементами и т.д.

По данным [1], растущими категориями наполнителей для молочных продуктов стали лесные ягоды, корица, тропический микс, куркума, персик, злаки, семена (чиа, кунжут, кориандр), киви, банан, мандарин. Среди лесных ягод наибольшей популярностью пользуется черника, которая в большом количестве содержит витамин С, а также характеризуется наличием наибольшего разнообразия полифенольных соединений среди ягод и наиболее высокой антиоксидантной активностью среди фруктов и овощей [2]. Благодаря своей фенольной структуре антоцианы, содержащиеся в чернике, напрямую способны связывать активные кислородные радикалы [2]. t

В последние годы во всем мире наблюдается увеличение числа больных с пищевой аллергией и патологией органов пищеварения, сопровождающейся пищевой непереносимостью отдельных компонентов пищи, таких как глютен, лактоза, гистамин и другие. Реакция происходит, когда пищеварительная система не в состоянии должным образом расщепить пищу. Причины пищевой непереносимости могут быть связаны с дефицитом ферментов, чувствительностью к пищевым добавкам или реакцией на природные химические вещества, содержащиеся в продуктах питания [3].

При употреблении молочных продуктов особенно актуальна на сегодняшний день проблема непереносимости лактозы молока у определенной группы населения. Для успешной профилактики и лечения этого заболевания необходимо исключить поступление лактозы в организм больного с пищей. Этим и обусловлена актуальность создания молочных продуктов с пониженным содержанием лактозы или полным ее отсутствием для данной категории населения [4].

Одним из наиболее востребованных на рынке кисломолочных напитков является йогурт, который обладает множеством доказанных полезных свойств, например, способствует поддержанию микрофлоры кишечника, улучшает работу иммунной системы [5].

Этот напиток представляет собой разновидность простокваши, приготовленной из нормализованной смеси с повышенным содержанием сухих обезжиренных молочных веществ, в качестве заквасочной микрофлоры применяется симбиотическая закваска, в состав которой входит болгарская палочка и термофильный стрептококк [6].

Введение немолочных компонентов в состав йогурта вызывает изменение структурно-механических свойств кисломолочной основы, консистенция часто становится жидкообразной, наблюдается оседание частичек наполнителя, выделение сыворотки, поэтому при разработке технологии кисломолочных напитков необходимо исследовать и моделировать их консистенцию, которая влияет как на товарные характеристики, так и на хранимоспособность продукта. Для этих целей в состав йогурта с растительными ингредиентами дополнительно вносят структурообразующие компоненты, связывающие воду (загустители и стабилизаторы): комплексные добавки, желирующие компоненты, крахмал, камедь рожкового дерева и другие гидроколлоиды [7].

Цель исследования – изучить реологические характеристики модельных образцов йогурта низколактозного маложирного с повышенным содержанием сухих веществ молока и различными дозами наполнителей с целью моделирования рецептуры и прогнозирования характеристик консистенции продукта.

Методика и методы исследования

Исследовали структурно-механические свойства модельных образцов йогурта с массовой долей сухих обезжиренных веществ молока 12%, степенью гидролиза лактозы 66±1% и различными дозами наполнителей (черничное пюре и сахароза) [8].

ОпытыпроводилисьнавискозиметреРеотест2.1, которыйпозволяет изучать свойства течения исследуемого вещества с выдерживанием физически точно определяемых условий течения, фиксировать кривые течения в больших диапазонах напряжений сдвига и скоростей сдвига [9]. Использовали цилиндрическое измерительное устройство S-S1. Для поддержания в процессе исследования постоянной температуры (20°С), проводилось термостатирование пробы при помощи термостатирующей бани, подключенной к жидкостному циркуляционному термостату.

Для снятия зависимости между сдвигающим напряжением и скоростью сдвига измерения начинали при малых значениях скорости сдвига (3с-1), доводя ее до максимальной (1312с-1). Показания снимали по шкале индикаторного прибора, увеличение скорости сдвига производили, увеличивая скорости вращения измерительного цилиндра путем переключения редуктора [10].

Результаты исследований

Исследовались модельные образцы низколактозного йогурта с черничным наполнителем, рецептуры которых были рассчитаны методом математического моделирования на основе рецептур лучших образцов, полученных в результате выработки продукта для изучения сочетаемости вкуса и запаха вносимых наполнителей с кисломолочным вкусом молочной основы. Согласно программе оптимизации вырабатывали образцы йогурта с различными массовыми долями черничного пюре и сахара-песка, и проводили их комплексную оценку по вкусу, запаху и консистенции. Характеристика состава модельных образцов представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Состав и сенсорная оценка модельных образцов

№ образца	Массовая доля, %		Балл
	Черничное пюре	Сахар
1	21	14	3
2	20	12	3,5
3	19	10	4
4	18	8	4,5
5	17	6	5
6	16	4	4,5

Реологические свойства исследовали по изменению эффективной вязкости, которая является одной из основных реологических характеристик, определяющих технологические свойства дисперсных систем. Введение в гелеобразную систему после сквашивания ягодных наполнителей значимо влияет на структурно-механические свойства готового продукта [11]. С учетом того, что большинство кисломолочных напитков производится резервуарным способом, сгусток при внесении наполнителя разрушается. Поведение системы в условиях деформирования является важным показателем и может быть описано кривой течения, характеризующей зависимость эффективной вязкости от градиента скорости.

Наличие структурной сетки в системе обусловливает неньютоновский характер ее течения, так как при деформации часть разрушаемых связей не успевает восстановиться.

Проводили анализ скоростных характеристик вязкости модельных образцов продукта, используя уравнение Оствальда-де Вила, которое позволяет достоверно определять показатель неньютоновского поведения системы [10]:

η = k · γ n-1

где η – эффективная вязкость, Па · с;

k – коэффициент эффективной вязкости при градиенте скорости, равном единице, т. е. при γ = 1 с-1;

γ – скорость деформации, с -1;

n – индекс течения.

На графике ( рис. 1) , показаны зависимости, отражающие изменение вязкости продукта с различным соотношением наполнителя и сахарного песка при последовательном увеличении градиента скорости.

При обработке экспериментальных данных при нарастании скорости сдвига получены следующие зависимости эффективной вязкости (η, мПа·с) от скорости деформации (γ, с-1):

для образца № 1 η = 6104,6∙γ -1,6563

для образца № 2 η = 10977∙γ -1,8194

для образца № 3 η = 8235,4∙γ -1,7532

для образца № 4 η = 8749∙γ -1,7257

для образца № 5 η = 5262,4∙γ -1,5908

для образца № 6 η = 7016∙γ -1,5069

Из приведенных в уравнениях значений индекса течения n и коэффициента k при малых скоростях сдвига видно, что наибольшей вязкостью отличался образец йогурта № 2. Далее за ним по убыванию следуют образцы под номерами 5, 1, 3, 4 и 6.

Взаимное положение кривых течения показывает, что самые высокие значения вязкости характерны для образца, содержащего 20% наполнителя и 12% сахарного песка. Это, по-видимому, связано с тем, что при таком сочетании компонентов, сгусток обладает наиболее прочной пространственной сеткой и более выраженными влагоудерживающими свойствами.

Черничное пюре имеет анизометрический характер частиц (волокон), облегчающих образование прочных коагуляционных структур (каркасов) из беспорядочно расположенных коллоидных частиц [12]. Кроме того, растительное сырье содержит пектины, которые относятся к группе молочно-активных полимеров. Например, известно [13, 14], что молекулы низкометоксилированного пектина взаимодействуют между собой за счет свободных карбоксильных групп, связываемых Са-ионами в прочный каркас, образуя ионносвязанные студни. Высо-кометоксилированный пектин образует студень за счет побочной валентности, т. е. водородных связей при участии недиссоциированных свободных карбоксильных групп [14, 15].

Для других сгустков значения вязкости в области градиентов (5,4 – 243)

с-1 меньше вязкости образца № 2 в 1,3–2,25 раза.

Рисунок 1 - Скоростные характеристики вязкости модельных образцов йогурта с черничным пюре

В логарифмических шкалах изменение эффективной вязкости от скорости деформации изображается прямой линией, тангенс угла наклона которой (угол β) определяется темпом разрушения структуры [13].

Таблица 2 - Скоростные характеристики модельных образцов продукта

га О' й г а ю о	Содержание,% черничного сахара пюре		Уравнение	Коэффициент достоверности аппроксимации, R2	tg β
1	21	14	lgηэф = -0,6604 lgγ + 3,7748	R 2 = 0,9645	0,6604
2	20	12	lgηэф = -0,7319 lgγ + 4,0905	R 2 = 0,9973	0,7319
3	19	10	lgηэф = -0, 6295 lgγ + 3,7018	R 2 = 0,9965	0,6295
4	18	8	lgηэф = -0,6874 lgγ + 3,9298	R 2 = 0,996	0,6874
5	17	6	lgηэф = -0,6951 lgγ + 3,8965	R 2 = 0,9854	0,6951
6	16	4	lgηэф = -0,5923 lgγ + 3,8209	R 2 = 0,9984	0,5923

Для всех модельных образцов в логарифмических осях были построены скоростные характеристики (рис. 2) , которые описываются соответствующими уравнениями, приведенными в таблице 2. Коэффициенты аппроксимации являются индикатором степени подгонки модели к экспериментальным данным Все зависимости имеют высокие значения (R²), которые находятся в диапазоне 0,96 – 0,99 и близки к 1, а это значит, что полученная модель является достоверной.

При анализе графиков в логарифмических шкалах нулевые значения величин лежат на оси ординат (lgηэф) и абцисс (lgγ). Для оценки наклона прямых, с учетом рассчитанных из уравнений точек пересечения осей у и х, находили tg β. Как видно из таблицы 2, наименьший угол наклона (наименьшее значение tgβ) имеет прямая, описывающая образец № 6, содержащий 16% пюре.

Рисунок 2 - Изменение эффективной вязкости модельных образцов в зависимости от скорости деформации в логарифмических шкалах

Следовательно, этот образец обладает наибольшими прочностными свойствами – меньший темп разрушения структуры. Далее по убыванию следуют – образцы 3, 1, 4, 5, 2 содержащие соответственно 19, 21, 18 и 20% наполнителя.

Заключение

Оценивая влияние наполнителей (черничного пюре и сахара) на реологические показатели сгустков, можно сделать выводы.

• 1.    Увеличение массовой доли ягодного пюре в образце повышает вязкость продукта. Возможно, это связано с увеличением содержания пектиновых веществ в среде, которые обладают влагоудерживающей способностью. Сегменты молекулярной цепи пектинов соединяются один с другим в результате кристаллизации и образуют трехмерную сетку, которая удерживает воду, сахар и прочие растворители. Кроме того, пектины наполнителя в сочетании с обезжиренными сухими веществами молока обеспечивают кумулятивный эффект и более плотную структуру, также присутствие пектина создает тенденцию к уменьшению заряда на молекулах казеина, а не к желированию водной фазы, как у желатина, это усиливает естественное притяжение частиц казеина и, следовательно, повышает вязкость кисломолочного напитка.

• 2.    Увеличение массовой доли ягодного пюре в то же время повышает темп разрушения структуры модельных образцов. Это, вероятно, объясняется увеличением в сгустке количества связей кристаллизационного типа, необратимо разрушающихся при его перемешивании. Кроме того, включение в сгусток большого количества растительного наполнителя «увеличивает» расстояние между мицеллами казеина, поэтому сформировавшаяся структура не является стабильной при разрушении.

• 3.    Для получения продукта стойкого к разрушению необходимо применение стабилизационных систем.